Bài giảng thủy văn nước dưới đất đại học thủy lợi

• Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm và những ứng dụng kỹ thuật của chúng, bao gồm: – Nước ngầm trong chu trình thủy văn – Các đặc tính trong môi trường

• [2] David Keith Todd, Ground Water Hydrology, New York.

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

• Giới thiệu về thủy văn, thủy lực dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm và những ứng dụng kỹ thuật của chúng, bao gồm:

– Nước ngầm trong chu trình thủy văn

– Các đặc tính trong môi trường lỗ rỗng (môi trường đất)

– Luật Darcy của dòng chảy chất lỏng trong môi trường lỗ rỗng – Các nguyên lý liên tục

– Thủy lực giếng; tầng ngậm nước, lỗ khoan

– Các ứng dụng kỹ thuật của thủy lực nước ngầm

– Các đặc tính của nước trong vùng bão hòa; dòng chảy không bão hòa

– Thấm, phân bố lại, bốc hơi, và cân bằng nước

CHƯƠNG 1: GiỚI THIỆU CHUNG

NƯỚC

• Thuỷ văn (Hydrology): Nghiên cứu về nước và các đặc tính, phân bố, ảnh hưởng của nước trên bề mặt trái đất, trong đất, và khí quyển.

Là môn khoa học nghiên cứu sự xuất hiện, phân bố và

chuyển động của nước dưới bề mặt đất.

• Quản lý nước

– Sử dụng bền vững tài nguyên nước.

– Khai thác theo chu trình thủy văn

• Các công trình thủy lợi, cấp nước, xử lý nước sinh hoạt, xử lý nước thải và xả thải, tưới, phát điện, kiểm soát lũ, v.v.

• Giếng cổ (Qanats)

– Là đường hầm dưới lòng đất được sử

dụng để khai thác và vận chuyển nước

ngầm

– Có ở vùng Trung Đông, Trung Á

(khu vực nói tiếng Ba Tư – Persia)

– Dài hàng km

– Tới 3000 năm tuổi

– Nhiều giếng vẫn hoạt động

• Giếng Trung quốc cổ đại

– 1000 năm trước: Các giếng khoan

– Sâu hơn 300 mét

– Dùng các óng tre để nhận nước

– Đến năm 1858: sâu 1000 meters

– Ngày nay gọi là giếng khoan

Giếng cổ (Qnanat) Ba Tư

Giếng Trung Quốc cổ đại

I.3 CÁC LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG

— Nước từ đại dương được bốc hơi do

hâm nóng của trái đất, rồi bay lên, và

ngưng tụ trên các sườn núi

I.3 LÝ THUYẾT TRUYỀN THỐNG

(Cont.)

• Lý thuyết thấm

– Vitruvius (~80-20 BC) Xuất bản cuốn sách

lần thứ 8 về nước và cống dẫn nước: Mưa và

tuyết trên đất thấm xuống và bổ sung cho các

mạch phun và con sông

– Palissy (1509-1590) là nhà khoa học và cũng

là thợ gốm của Pháp có trình bày chính xác

về chu trình thủy văn

– Perrault (1670): Có trình bày về cân bằng

nước trên sông Seine Dòng chảy trong sông

bắt nguồn từ mưa.

– Mariotte(1620-1684) Là nhà vật lý người

Pháp Có đánh giá về bổ cập nước ngầm đầu

tiên: Tương tự như mái nhà bị rò rỉ.

– Vallisnieri(1723): Ở độ cao thấp trong dãy núi

Alps, giếng phun được phổ biến Độ cao cao

hơn trong dãy núi Alps, suối giảm lượng nước

ngầm có nguồn gốc từ mưa.

I.4 CÁC LÝ THUYẾT HiỆN ĐẠI

• Lý thuyết hiện đại

– Henri Darcy (1856): Phát triển

quan hệ của dòng chảy trong môi

trường cát Sự giữ nước trong các

tầng ngậm nước Giải bài toán

dòng không ổn định.

– Hazen, Slichter, O E

Meinzer(1900s): ứng dụng thực

tiễn, trên cơ sở nguyên lý lý thuyết

của đại chất thủy văn Pháp

– Hubbert(1940) “…thông qua thí

nghiệm để viết lý thuyết dòng chảy

II TÀI NGUYÊN NƯỚC TOÀN CẦU

Nguồn nước ngọt cho các hoạt động con người

(44.800 km3/yr)

Thời gian lưu giữ trong một tiểu hệ thống:

= Thời gian di chuyển trung bình của nước qua một tiểu hệ thống của chu trình thủy văn:

T r = S / Q

= Storage/flowrate

Độ ẩm không khí

Đọng trên lá cây Băng tuyết ngưng tụ

Bề mặt

Độ ẩm đất Nước ngầm Sông suối nhỏ và ao hồ Dòng chảy cửa ra lưu vực

Mưa Tuyết

Bốc hơi

Bốc thoát hơi

Bốc hơi

Rơi xuống đất và Chảy trên thân và cành cây

Tuyết tan Thấm bề mặt

Chảy tràn trên bề mặt Thấm tầng sâu

Dòng chảy ngầm

Dòng chảy trong sông kênh lớn

NƯỚC

Ví dụ về phân

bổ theo phương ngang các tầng ngậm nước

Edwards Ogallala

Ví dụ về phân bố theo phương thẳng đứng của tầng ngậm nước (ở Edwards)

• Có 3 khu vực:

• Khu vực nguồn

• Vùng bổ cập

• Vùng giếng phun

Khu vực nguồn của tầng ngậm nước

Vùng bổ cập tầng ngậm nước

Edwards

• Về địa chất gọi là đứt gãy Balcones

• Nó bao gồm rất nhiều các lớp

đá vôi lộ thiên lên trên bề mặt

• Tạo ra các đường nước chảy về khu vực giếng phun

Vùng giếng phun tầng ngậm nước

Edwards

• Vùng giếng phun là một hệ thống phức tạp gồm các lỗ rỗng kết nối với nhau thay đổi tạo thành các lỗ nhỏ đến những hang động lớn

•Nằm giữa 2 lớp thấm tương đối kém tạo thành hệ thống có áp hoặc bán áp

• rộng khoảng 2100 miles vuông

Nhóm các tầng ngậm nước Edwards

Đá gốc

Đá vôi

Đá non trên bề mặt

Đường dòng chảy của tầng ngậm

nước Edwards

Tầng ngậm nước Ogallala

• Xấp xỉ 170,000 giếng bơm hút nước từ tầng này.

• Mực nước đang giảm 2-3 feet/năm ở một số nơi.

• chỉ có 10% được khôi phục lại bằng nước mưa.

Ví dụ về mực nước tại một giếng quan

trắc trong tầng Ogallala

Tầng ngậm nước Ogallala

Thay đổi mực nước giai đoạn 1980

-1994 Thay đổi mực nước cho đến

1980

lk5 0

lk2 0 4 lk5 hn

-1 5.0

-1 3.0

-6

-7 0

-6 0

-4 0 -12.0

-3 0

xã Vi ệt Hưng

xã Lĩ nh Nam

xã Thượng Thanh

xã Cự K hôi xã Long B i ên

K I m Lũ Thượng

xã Thụy Lâm xã Li ên Hà

xã Đông Xuân xã Đức Hoà

xã K i m Nỗ

xã P hú Cường

xã Nam Hồng xã Thanh Xuân

xã Li ên M i nh Ngũ Hi ệp

Y ên M ỹ

Hoàng

Q uỳ nh Lôi Tương M ai Thị nh Li ệt

Tả Thanh O ai Hữu Hòa Hạ Đì nh

xã Dị ch Vọng

xã Trung Hoà xã Y ên Hoà

Đại M ỗ Trung Vănxã M ễ Trì

xã M ỹ Đì nh xã Tây M ỗ

xã P hù Li nh

xã Hồng K ỳ xã Nam Sơn

xã B ắc Sơn

xã Q uảng Ti ến xã M i nh P hú

xã Hi ền Ni nh xã M i nh Trí

xã Tân Dân xã Tân Dân

xã M ai Lâm xã Đồng Hội

xã Ngọc Thụy xã Đông Hội xã Xuân Canh

xã Vân Nội

xã Vi ệt Hùng xã Ti ên Dương

xã Vĩ nh Ngọc

xã Nhật Tân xã Tầm Xá

xã Q uảng An xã Xuân Đỉ nh

xã Đông Ngạc xã Hải B ối

xã Cổ Nhuế xã Li ên M ạc

Đường thuỷ đẳng áp tầng c hứa nước pleis toc en tháng 5/2001 Ranh giới v à hướng phát triển tầng c hứa nước pleis toc en

Tầng c hứa nước k he nứt v ỉa trầm tíc h neogen Tầng c hứa nước k he nứt v ỉa trầm tíc h jura hệ tầng Hà Cối

2 Các thành tạo rất nghèo nước và cách nước

Đường giao thông Sông, Hồ

Đê

Đường s ắt Ranh giới tỉnh

Tầng c hứa nước lỗ hổng c ác trầm tíc h pleis toc en

chỉ dẫ n Tầng c hứa nước lỗ hổng c ác trầm tíc h holoc en

1 Các tầng chứa nước

3 Các ký hiệu khác

Ranh giới địa c hất thuỷ v ăn

Đứt g ãy k iến tạo

a Không bị phủ; b Bị phủ

Đường mặt c ắt địa c hất thuỷ v ăn

5 Kilom e tre

qh

qh

qh

qh Q™ ™ … éấ

qh

qp

J -KÊẻŸ

j qh

qh

j qp

t qh

qh Q™ ™ … éấ

t

t qh

t qh

qp qp

t qh Q™ ™ … éấ

qp qh

qh Q™ ™ … éấ Q™ ™ … éấ

qh Q™ ™ … éấ

Q™ ™ … éấ

qh

qh

qh Q™ ™ … éấ

k j

Q™ ™é ấ J-KÊẻŸ

qh qp m

-40 -30 -20

-50

-100

-60 -70 -80 -90

20m 10 0 -10 LK8hn

90 78

118 195.6

LK17-204 LK6hn

mặt cắt địa chất thuỷ văn tuyến a-b

Tầng chứa nước khe nứt trong trầm tớch Neocene

Fissured aquifer in Neocene sediments

Tầng chứa nước khụng ỏp trong trầm tớch Holocene

Unconfined aquifer in Holocene sediments

Tầng chứa nước cú ỏp trong trầm tớch Pleistocene

Confined aquifer in Pleistocene sediments

Hồ Bảy Mẫu

Tầng khụng chứa nước

Aquiclude

CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TẦNG

CHỨA NƯỚC (Physical Properties of Aquifers)

PGS.TS Nguyễn Mai Đăng

• Bộ môn Thủy văn & Tài nguyên nước

• Trung tâm đào tạo quốc tế

dang@wru.vn

I Sự xuất hiện nước ngầm

Occurrence of Groundwater

3

• Nước ngầm xuất hiện khi nước xâm nhập vào tầng sát mặt thông qua các khe nứt và lỗ hổng trong đất và đá

• Mực nước ngầm tầng nông (shallow water

level is called the water table )

Biểu đồ phân bố ẩm(Moisture Profile)

• Nước ngầm (Groundwater)

– Là tất cả các lượng nước bên dưới

bề mặt đất (All waters found beneath the ground surface)

– Xâm chiếm các lỗ rỗng (Occupies pores)

• Môi trường lỗ rỗng (Porous media )

– Vô số các lỗ rỗng có kích thước nhỏ

(Numerous pores of small size)

– Các lỗ rỗng chứa chất lỏng như nước và không khí (Pores contain fluids e.g., water and air)

– Các lỗ rỗng đóng vai trò như một đường ống để dẫn nước (Pores act

as conduits for flow of fluids)

• Các loại đá (Type of rocks)

– Số lượng, kích thước, và sự sắp xếp của các lỗ rỗng ảnh hưởng đến sức chứa nước và dòng chảy trong địa tầng

• Các dạng lỗ rỗng không đồng đều (Pores shapes are irregular)

– Sự khác biệt trong khoáng chất hình thành nên các loại đá

– Quá trình địa chất hình thành nên các hình dạng lỗ rỗng

Mặt cắt ngang của lớp đất

Mặt cắt ngang của lớp đá

Đá tinh thể khe nứt (đá

granite)

Đá có thể hòa tan (đá vôi)

Soil volume V (Saturated)

solid

Pore with water

Soil volume V (Saturated)

d m

ρ

ρ ρ

Med to Coarse Sand (TB đến thô) 35-40

Uniform Sand (cát đều) 30-40

Pore with air

Soil volume V (Unsaturated)

10

Kích thước hạt của các loại đất

(Particle Size of Some Soils)

Đất sét

Cát

Lực tổng hợp hướng vào bên trong

Bề mặt giao diện (interface)

Sức căng mặt ngoài (surface Tension)

σ γ

Chất lỏng dâng lên trong ống do lực hút của lỗ (áp suất mao dẫn) cho đến khi

cân bằng với trọng lực

ψ γπ

π θ

σ cos ( 2 r = ) r2

γ

σ ψ

γ

σ γ

Positive pressure

Solid

θ

ψ

Capillary Zone

Đường cong đặc tính của nước trong đất

(vẫn còn dâng lên sau 72 ngày)

Đô dâng cao mao dẫn đo được sau 72 ngày; tất cả các mẫu hầu

như đều cố cũng độ rỗng 41%

Độ dâng mao dẫn trong các mẫu vật liệu tự nhiên (không đầm chặt)

II.6 Hệ số nhả nước (thoát nước &

– Sy Là tỷ số giữa lượng nước thu được (bởi thoát nước trọng lực khi mực nước

ngầm không áp hạ thấp 1 khoảng ∆h) so với tổng dung tích:

– Sy cũng được xem là độ rỗng hữu hiệu (efective poprosity)

– Là lượng nước còn lại sau khi thoát do trọng lực (độ ẩm đồng ruộng - field

capacity)

volume total

volume drainage

y

r S

S =φ −

Quan hệ giữa độ rỗng, hệ số nhả nước (thoát nước) và giữ nước

• Aquifer

– Chứa & chuyển nước – Phù sa tự nhiên, cát, sỏi,

đá cát.

• Aquiclude

– Chứa, nhưng không chuyển nước

– Đất sét and pha đá phiến sét

– Các biên không thấm của các tầng ngậm nước

• Aquitard

– Chuyển nước, nhưng ko giữ nước

– Đá phiến sét và pha sét – Các lớp có áp thấm nước yếu

• Tầng chứa nước có áp

(Confined aquifer)

– Có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển

– Có biên bởi các lớp không thấm

• Tầng ngậm nước không áp (Unconfined aquifer)

– Có tồn tại mực nước ngầm – Có biên bởi mực nước ngầm

Giếng phun

Vùng bổ cập nước ngầm

Áp lực từ bên ngoài ép

nén tầng ngậm nước

(lớp không thấm)

(lớp không thấm)

III.2 Hệ số nhả nước của tầng ngậm nước

(Aquifer Storage)

– Là lượng nước thoát ra được từ 1 thể tích đơn vị của tầng ngậm nước sau khi giảm

1 đơn vị cột nước (mô tả next slice)

– Nước được thoát ra theo 2 cơ chế (mô tả slice trước):

1 Do tầng chứa nước bị ép nén bởi tăng áp lực từ bên ngoài

2 Nước bị đẩy ra do áp suất giảm

– Nước được lấy ra do bơm hút từ các lỗ rỗng

• Hệ số nhả nước của tầng ngậm nước - (S)hay còn gọi là sức chứa (storativity): là

tổng lượng nước có thể thoát ra được từ 1 tầng ngậm nước khi hạ thâp 1 đơn vị

Chỉ áp dụng đối với tầng có áp

b: bề dày tầng ngậm nước

IV Mực thủy áp (Piezometric Head)

γ

p

z

Do chênh lệch gradient cột nước nên nước

sẽ chảy từ tầng trên xuống tầng dưới

(Horizontal and Vertical Head Gradients)

(Mực nước ngầm)

(Mực thủy áp)

I Sự xuất hiện nước ngầm

1 Phân bố nước trong tầng sát mặt

II Môi trường lỗ rỗng (Porous Medium)

1 Độ rỗng (Porosity)

3 Kích thước hạt (Particle Size)

5 Đường cong đặc tính độ ẩm đất (Soil Moisture Characteristic Curves)

Retention)III Các loại tầng chứa nước (Aquifer Types)

1 Lượng trữ trong các tầng ngậm nước (Aqufier Storage)

IV Mực nước thủy áp (Piezometric head)